【3电容式传感器】.ppt

传感器原理与应用,第三章,泉州师院,物信学院,第,三,章,电容式传感器,以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。,电容式传感器,变间隙型,变面积型,变介质型,电容式接近开关,电容式指纹传感器,电容式变送器,差压传感器,各种电容式传感器,极板间介质的介电系数；,0,真空的介电常数，,0,=8.854,10,-12,F/m,；,r,极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，,r,1,。,3,.1,电容式传感器的工作原理及特性,3.1.1,基本工作原理,平行极板电容器的电容量为：,+,-,3.1.2,电容式传感器的类型和特性,1.,变极距型电容传感器,极板,2,上移：设动极板未移动时极板间距为,0,初始电容量为：,电容的相对变化量为：,略去高次项，得：,所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足,P,L,时，中心膜片上凸，上部电容为,C,L,，,下部电容为,C,H,。,C,H,相当于当前膜片位置与平直位置间的电容,C,A,和,C,0,的串联；而,C,0,又可看成是膜片上部电容,C,L,与的,C,A,串联。,h,max,d,0,C,A,C,L,C,H,C,0,P,H,P,L,C,A,C,L,C,H,C,0,C,0,C,A,等效电路,即：,需要解决的问题是：,中心膜片处于平直状态时，,C,0,=,C,(,d,0,)=?,；,当,P,H,P,L,模片上凸,h,max,时，,C,A,=,C,(,h,)=?,h,max,d,0,C,A,C,L,C,H,C,0,P,H,P,L,R,b,a,d,b,d,0,实线为球冠型固定电极,设膜片半径为,a,，,球冠形固定电极的半径为,R,，,固定电极的实际拱底半径为,b,，,拱底距膜片的距离为,d,b,，当,d,0,R,时：,在,P,H,-,P,L,作用下中心膜片的上凸量,h,近似为,:,计算点半径,而,C,A,为：,(,积分求解过程省略,),利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出,U,0,输出,U,0,与差压,P,H,-,P,L,成正比。,而,所以,例,3-3,电容式称重传感器,图,3-26,电容式称重传感器,绝缘材料,定极板,动极板,极板支架,弹性体,在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映的结果是平均作用力的变化，,测量误差大大减小,（误差平均效应）,图,3-27,电容式称重传感器,F,两个,固定极板,间有一个用弹簧片支撑的质量块,m,，,质量块的两端面经抛光后作为,动极板,，当传感器测量,竖直方向,的振动时，由于,m,的惯性作用，使其相对固定电极产生位移，两个差动电容器,C1,和,C2,的电容发生相应的变化,其中一个变大，另一个变小。,例,3-4,电容式加速度传感器,图,3-28,电容式加速度传感器,弹簧片,定极板,2,质量块（动极板）,定极板,1,绝缘体,a,C,1,C,2,m,例,3-6,电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用,b),测轴回转精度和轴心偏摆,a),测振幅,被测物,振动,电容式,传感器,被测轴,电容式,传感器,电容式液位计,电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。,对导电介质和非导电介质都能测量,，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。,(1),安装形式,电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而有差别,右图为用来测量导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。,1-,内电极；,2-,绝缘套,图为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。,1,、,2-,内、外电极；,3-,绝缘套；,4-,流通孔,以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其它特殊安装形式，如,大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电容器的两极；,在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；,在测极低温度下的液态气体时，一个电容灵敏度太低。可取,同轴多层电极结构,，把,奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极,，变成,相当于多个电容并联,，,以增加灵敏度。,图,3-29,电容式料位传感器,D,d,检测电路,测定电极,储罐,0,1,h,例,3-5,电容式料位和液位传感器,测定电极安装在金属储罐的顶部，储罐的罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。,上图中电容随料位高度,h,变化的关系为：,式中,k,比例常数；,D,储罐的内径；,d,测定电极的直径；,h,被测物料的高度；,0,空气的相对介电常数；,1,被测物料的相对介电常数可以看出，两种介质的介电常数差别越大、,D,与,d,相差越小，传感器的灵敏度越高。,电容式传感器,完全固定结构,大尺寸,受金属部件影响,受噪音干扰,霍尼韦尔液位传感器,油量测量,当燃油增大，,h,2,增大，,C,也增大；燃油减少，,h,2,减少，,C,也减小。,通过测量电容的大小就能知道油量的多少。,圆柱型电容传感器的电容为,图,7-23,电容式料位计,1-,金属电容；,2-,测量电极；,3-,辅助电极；,4-,绝缘套,电容式料位计,电容式料位计不仅能测不同性质的液体，而且还能测量不同性质如块状、颗粒状、粉状、导电性、非导电性的物料。但因固体摩擦力大，容易“滞留”，产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。,电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密度变化或掺有杂质时，会引起介电常数变化，产生测量误差。为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将一根,辅助电极,始终埋入被测物料中。辅助电极与测量电极,(,也称主电极,),可以同轴，也可以不同轴。设辅助电极长,L0,，它相对于料位为零时的电容变化量为：,主电极的电容变化量为,C,x,，,则有：,由于,L,0,是常数，因此,料位变化仅与两个电容变化量之比有关,，而介质因素波动所引起的电容变化对主电极与辅助电极是相同的，相比时被抵消掉，从而起到误差补偿作用。,湿度测量,湿敏电容,一般用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等,HM1500,湿度传感器,当环境湿度发生改变时，湿敏电容的,介电常数,发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。,电容式键盘,常规的键盘有机械按键和电容按键两种,。,电容式键盘是基于,电容式开关,的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。,利用变极距型电容传感器实现信息转换,电容传声器,驻极体电容传声器,大膜片电容传声器,传声器（,Microphone,）即话筒，,音译作,麦克风,，目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。,电容传声器,以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。,在日常生活中，往往会出现这样一些情况：钥匙丢了，进不了门；密码忘了，无法在,ATM,机上取钱；电脑中的重要资料被他人非法复制了；手机被他人盗用,，,这些都给我们造成了很大的麻烦甚至损失，以上这一切都与,身份识别,有关。,知识讲座,生物识别 技术,目前，身份识别所采用的方法主要有：根据人们所持有的,物品,如钥匙、证件、卡等；或人们所知道的,内容如密码和口令,等来确定其身份。但物品可能丢失和复制，内容容易遗忘和泄露。,生物识别技术，如,指纹识别,或者,虹膜识别,，在侦探电影中破案人员依靠现场指纹进行罪犯确认、用指纹代替密码开启保险箱；依靠眼睛对着一个小摄像机来取代钥匙开门等等。这就是被比尔,盖茨称之为,21,世纪最重要的应用技术,之一的生物识别技术，它正在步入我们的生活中。,生物识别,是依靠人体的身体特征来进行身份验证的一种解决方案。这些身体特征包括,指纹、声音、面部、骨架、视网膜、虹膜和,DNA,等人体的生物特征，以及,签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度,等个人的行为特征。现在开发和研究中的还有通过,静脉、耳朵形状、按键节奏、身体气味,等的识别技术。,生物识别的技术核心在于如何获取这些生物特征，并将其转换为数字信息，存储于计算机中，利用可靠的,匹配算法,来完成验证与识别个人身份的过程。,指纹识别,19,世纪初，科学研究发现了指纹的两个重要特征，,一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同，二是指纹纹脊的式样终生不改变。,这个研究成果使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用，,1896,年阿根廷首次应用，然后是,1901,年的苏格兰，,20,世纪初其他国家也相继应用到犯罪鉴别中。,20,世纪,60,年代，由于计算机可以有效地处理图形，人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。从那时起，,自动指纹识别系统,AFIS,在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开。,人从胎儿四个月大就形成指纹,指纹特性相当固定，不会随着人的年龄的增长、或身体健康程度的变化而变化。如果,手指受伤损及真皮组织导致指纹受到破坏，受损面也会很快愈合、复原。,如果严重创伤有可能导致指纹识别器无法匹配比对。因此建议每只手至少注册,1,个手指。,每人的十指指纹都不相同，每个指纹一般都有,70-150,个基本特征点，在两枚指纹中只要有,12-13,个特征点吻合，即可认定为同一指纹。而以此找出两枚完全一样的指纹需要,120,年，人类,人口按,60,亿计算，大概,需要,300,年才可能出现,重复的指纹。因此，想,找到两个完全相同的指,纹几乎是不可能的。,指纹特征一般分为,总体特征,和,局部特征,。总体特征包括,纹形、特征点的分类、方向、曲率、位置,。由于每个特征点都有大约,7,个特征，十个手指具有最少,4900,个独立可测量的特征。基于指纹的,多样性特征和不可复制性,，每个指纹都具有唯一性，利用指纹进行身份认证，可完全杜绝钥匙和,IC,卡被盗用或密码被破解等导致他人非法侵入的现象。,指纹识别主要分为四个阶段,:,读取指纹、提取特征、保存数据和比对确认,。,首先，通过指纹识别器的读取设备读取指纹图象。在获取指纹图象之后，识别芯片对图象进行初步处理，使之更加清晰可辨。,然后指纹辨识软件建立指纹的,“,数字表示特征,”,数据，从指纹转换成特征数据。两枚不同的指纹会产生不同的特征数据。,指纹由多种,“,脊,”,状图形构成，类似于山脊。由于纹路不连续，脊状图形多种多样，诸如,分岔、弧形、交叉、三角,等。识别软件将这些脊状图形进行坐标定位，进而从坐标位置上标示出数据点，有点像初中几何画函数图的步骤。这些数据点同时具有,7,种,以上的唯一性特征，由于通常情况下一枚指纹有,70,个,节点，通过软件计算会产生大约,490,个,数据。,目前的指纹采集技术主要有,光学采集、半导体采集、超声波采集。,半导体指纹采集技术,（,1998,年）,(1),半导体压感式传感器,其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料,它们依照指纹的外表地形,(,凹凸,),转化为相应的电子信号,并进一步产生具有灰度级的指纹图像。,1,、采集,(2),半导体温度感应传感器,它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同就可以获得指纹图像。,(3),硅电容指纹图像传感器 这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约,100,000,个电容传感器,其外面是绝缘的表面。,传感器阵列的,每一点是一个金属电极,充当电容器的一极,按在传感面上的,手指头的对应点则作为另一极,传感面形成两极之间的介电层。由于,指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同,(,纹路深浅的存在,),导致硅表面电容阵列的各个电容值不同,测量并记录各点的电容值,就可以获得具有灰度级的指纹图像。,指纹识别系统的电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，直达手指皮肤的,活体层,(,真皮层,),，直接读取指纹图案。由于深入真皮层，传感器能够捕获更多真实数据，不易受手指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有效防止辨识错误。,半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像,分辨率可高达,600dpi,并且指纹采集时不需要象光学采集设备那样,要求有较大面积的采集头。由于半导体芯片的体积小巧,功耗很低,可以集成到许多现有设备中,这是光学采集设备所无法比拟的,现在许多指纹识别系统研发工作都采用半导体采集设备来进行。,指纹识别目前最常用的是,电容式传感器,，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。,右图为指纹经过处理后的成像图：,2,、解码,得到一幅指纹图像后，要对图像解码，需要对图像特征进行提取、分析，指纹基本特征就是如脊、谷和终点、分叉点或分歧点。平均每个指纹都有几个独一无二可测量的特征点，每个特征点都有大约七个特征，我们的十个手指产生最少,4900,个独立可测量的特征点，足以确认指纹识别的可靠性。,3,、比对和匹配,当指纹图像的特征值被提取后，就可依照特征值与数据库中存储的指纹进行比对和匹配。如何对于残缺图像进行匹配以及伤疤等处理都要依赖于算法技术。尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但需识别的数据量很大，对数据进行比对也不是简单的等与不等，而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。,随着计算机与通信网络的蓬勃发展,电子商务的不断推广应用,安全方便的指纹识别系统现已广泛应用于,桌面电脑、笔记本电脑、,ATM,提款机、蜂窝电话、考勤系统、门禁,控制以及,Internet,电子商务安全系统,遍及,银行、保险、边防检查、医疗卫生及网络接入,等各个领域。作为自动指纹识别系统关键部分的指纹图像采集设备也随之得到了更大的发展。,产品：,西门子公司,“,ID Mouse,”,鼠标。上端安有指尖传感器，一旦指纹被识别，使用者就可以启动,PC,的操作系统。若长时间不动鼠标，它将自动启动屏幕保护程序，直到使用者再次触摸,ID,鼠标为止。这个鼠标在,0.25,平方英寸的触摸芯片上有,65000,个传感系统,，可捕捉指纹的细节。该系统非常灵敏，甚至用户的手有伤口它都能准确的辨别出来。,最早的指纹识别手机是,98,年西门子推出的,SL10,手机，将,“,Fingertip,”,指纹辨认技术移植在,SL10,上作模拟试用。手机机身前面及后面都装一跟,SIM,卡大小相似的金属指纹感应器。,机主除可预先输入本身的指纹样本，更可加入最多,59,个其他使用者的指纹。而,其他使用者,须经机主指纹作授权，方能将指纹记录在案，并且每位用家都有个别的使用权限。此外，每个使用者最多可储存,10,只手指指纹，每只手指最多可储存,60,个指纹样本。现在，西门子指纹手机的在细小如,SIM,卡指纹感应器上集成了,六万五千个微型感应器,，侦察指纹速度可达每秒百分之一毫米。,韩国,的,Pass 21,公司以三星的,SGH-A100,样本机成功示范了一次指纹手机的转帐服务。该手机暂定名为,Pass-Phone,，以指纹代替传统的数字密码，在手机上作银行转帐。此外，手机更可凭指纹认证，上网作购物及收发电子邮件的通行许可，防止黑客攻击。,三菱,也宣布推出指纹手机。手机内同样装有金属感应器式的指纹辨认装置，相比旧式的密码或,IC,卡辨认率，指纹辨认的错误机率不到,0.1%,。,法国,Sagem,也在,2000,年展出一款指纹手机，名为,MC 959 ID,，在电池背面装嵌有指纹感应器。,指纹识别的汽车：,西门子公司研制出了有指纹识别技术的汽车，采用了此项技术的汽车不仅门锁装置不再需要钥匙，同时还具有根据指纹及预储的信息，自动调整汽车驾驶员的座椅高度、前后距离，各个反光镜位置及自动接通车载电话等功能。,用户在操作系统安装之初输入指纹信息，并将其与具体个人登录信息和密码相关联。当系统建立好匹配信息之后，指纹识别数据库开始生效。在使用电脑登录个人账户时，用户只需将手指在指纹识别器上刷一下，就可以轻松、高效通过验证。,指纹识别的笔记本电脑,不同的厂商会采用不同的算法，有的算法把节点和方向信息组合，也有的算法处理整幅指纹图像。这就是各个厂商安全技术的实力成分了。,最后，通过模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。,其它的生物识别技术产品：,虹膜识别系统,美国,NCR,公司制造的,明星,”,终端机,。进入工作间，把双脚放到带有压力传感器的脚踏板上，让系统仔细观察好自己的眼睛。一旦发现你的虹膜与所存储的虹膜相符，,“,明星,”,就会呼叫你的名字，开始自动启动你经常要求的操作，这种新型自动提款机已经在加拿大的皇家银行试用了。,手形识别系统,先进生物测定学有限公司（,ABI,）,面部识别系统,澳大利亚科学及工业研究组织（,CSIRO,）的科学家研制出一套自动化脸孔辨认系统，可以从储存的智能卡或者电脑资料库中调出事先储存的人脸图像，和真人的脸孔进行比较，在半秒之内，辨认出这个人的身份。这套系统采用的只是普通的个人电脑和一个普通摄像机作为硬件。科学家指出，这套系統的精确度达,95,，假如再加上一套声音辨认系统，可以把精确度提高至更高的水平。,人体静脉识别系统,深圳特中科实业发展有限公司,输入个人识别号,PIN,通过红外线读取手背静脉,指纹,IC,卡识别器,指纹锁,指纹保险箱,作 业,P59,习题：,1,、,2,、,5,、,9,、,10,共,6,题,